磁性材料基础与工程应用(张雪峰)

《磁性材料基础与工程应用》旨在系统呈现磁性材料科学理论和应用技术的最新进展，并对国内外最新的研究成果进行总结和展望。全书共15章，内容包括磁学基本理论和概念、永磁材料、软磁材料、电磁波理论、微波铁氧体、电磁屏蔽材料、电磁波吸收材料、磁性薄膜等。全书在尽量避免复杂数学推导的同时，尽可能地使读者对磁学理论和磁性材料有较全面的认识，并了解磁性材料在最新科技发展中起到的重要作用。本教材充分展现了磁性材料与器件的发展历程、应用背景、基础理论、制备工艺和关键技术等内容，并针对制约我国磁性材料发展所存在的问题，润物细无声地引入思政元素，引导学生树立正确的世界观、人生观和价值观。本教材既有基础理论概念，也有实际工程应用，旨在培养学生具有扎实的基础知识和解决实际问题的能力，在实践层面上提升学生对磁性材料的认知能力。 本书可作为高等学校材料类、电子类专业的本科和研究生教材，也可作为科研人员、技术工程师的参考用书。

张雪峰，男，1980年生，辽宁凤城人，杭州电子科技大学教授，博士生导师，浙江省磁性材料协同创新中心主任，国家杰出青年基金获得者，国家海外青年特聘专家，浙江省高校领军人才。本硕博毕业于大连理工大学材料科学与工程学院，之后赴日本东北大学、加拿大国家科学院历任博士后研究员、助理研究员和副研究员。致力于磁性材料方面的基础研究和工程应用推广，主持了国家自然科学基金重点项目、国家重点研发、浙江省重点研发、以及华为、大华、东磁、英洛华等数十家知名企业的委托项目。以第*一或通讯作者发表SCI论文100余篇，获得发明专利20余件。同时在教学一线长期承担磁性材料和材料物理类本科/研究生专业基础课程的教学任务，将科研中获得的新成果融入课程之中，并大力推行工学结合，突出实践能力的培养，优化人才培养模式。

第1章 磁学理论 1.1 原子磁性　 001 1.1.1　原子的壳层结构及其排布　 001 1.1.2　电子轨道磁矩　 001 1.1.3　电子自旋磁矩　 003 1.1.4　原子磁矩　 004 1.2　宏观磁性　 005 1.2.1　抗磁性　 005 1.2.2　顺磁性　 005 1.2.3　铁磁性　 005 1.2.4　反铁磁性　 006 1.2.5　亚铁磁性　 007 1.3　交换作用　 007 1.3.1　海森堡交换作用　 007 1.3.2　间接交换作用　 008 1.3.3　DM相互作用　 009 1.4　磁晶各向异性　 010 1.5　磁致伸缩　 012 1.6　磁畴　 012 1.6.1　磁畴结构　 013 1.6.2　磁畴观测方法　 014 习题　 017 参考文献　 018 第2章 材料的磁化 2.1　磁化过程　 019 2.1.1　磁化机制　 019 2.1.2　可逆畴壁位移磁化过程　 020 2.1.3　不可逆畴壁位移磁化过程　 022 2.1.4　可逆磁畴转动磁化过程　 023 2.1.5　不可逆磁畴转动磁化过程　 025 2.2　反磁化过程　 027 2.2.1　畴壁位移阻碍机制　 027 2.2.2　反磁化形核阻碍机制　 028 2.2.3　磁畴转动阻碍机制　 030 习题　 030 参考文献　 030 第3章 稀土永磁材料 3.1　稀土永磁材料概述及发展　 032 3.2　稀土永磁材料的分类　 035 3.2.1　钐钴永磁材料　 035 3.2.2　NdFeB永磁材料　 038 3.2.3　SmFeN永磁材料　 044 3.2.4　ThMn12型永磁材料　 046 3.3　稀土永磁材料制备工艺　 048 3.3.1　晶界扩散技术　 049 3.3.2　双合金技术　 050 3.3.3　无压烧结技术　 051 3.3.4　晶粒细化技术　 051 3.3.5　3D打印技术　 052 3.3.6　化学法　 054 3.3.7　表面活性剂辅助球磨法　 055 3.4　稀土永磁材料的产业与应用　 056 3.4.1　全球稀土永磁材料产业近况　 056 3.4.2　中国稀土永磁材料产业现状　 057 3.4.3　稀土永磁材料应用　 058 3.4.4　展望　 059 习题　 059 参考文献　 059 第4章 无稀土永磁材料 4.1　无稀土永磁材料概述及发展　 061 4.2　无稀土永磁材料的分类　 061 4.2.1　Alnico永磁材料　 062 4.2.2　Mn基无稀土永磁材料　 068 4.2.3　Fe(Co)基无稀土永磁材料　 073 4.2.4　FePt永磁材料　 076 4.2.5　FeN永磁材料　 077 4.3　无稀土永磁材料应用与发展　 080 习题　 081 参考文献　 082 第5章 永磁铁氧体 5.1 永磁铁氧体化学组成与晶体结构　 083 5.1.1　M型六角晶系铁氧体　 083 5.1.2　W、X、Y、U、Z型铁氧体的晶体结构与磁结构　 085 5.2　永磁铁氧体的基本特性　 088 5.3　永磁铁氧体氧化物法制造工艺　 090 5.3.1　固相反应　 090 5.3.2　永磁铁氧体固相反应过程中的相变　 092 5.3.3　永磁铁氧体常用原材料　 092 5.3.4　永磁铁氧体预烧料制备　 094 5.3.5　永磁铁氧体成型　 097 5.3.6　永磁铁氧体的烧结　 099 5.4　永磁铁氧体应用　 104 5.4.1　永磁式启动电机　 104 5.4.2　无刷启动磁电机　 104 5.4.3　直流电机永磁转子　 105 5.4.4　驱动车窗升降装置用的永磁直流电机　 106 5.4.5　中国永磁铁氧体材料的产业现状及存在的问题　 107 习题　 108 参考文献　 108 第6章 软磁铁氧体 6.1　软磁铁氧体化学组成与晶体结构　 110 6.1.1　软磁铁氧体的化学组成　 110 6.1.2　软磁铁氧体的晶体化学　 112 6.1.3　软磁铁氧体的晶体结构　 114 6.1.4　软磁铁氧体中金属离子分布规律及影响因素　 115 6.1.5　软磁铁氧体微观结构与性能的关系　 117 6.2　软磁铁氧体的基本特性　 118 6.2.1　软磁铁氧体分类　 118 6.2.2　软磁铁氧体的磁导率　 119 6.2.3　起始磁导率的影响因素及提高方法　 121 6.2.4　软磁铁氧体的频率特性　 124 6.2.5　软磁铁氧体的损耗特性　 126 6.3　软磁铁氧体制造工艺　 128 6.3.1　软磁铁氧体主要原料　 128 6.3.2　软磁铁氧体主要成型方法　 129 6.3.3　MnZn铁氧体的烧结方法　 131 6.3.4　MnZn铁氧体平衡气氛烧结　 133 6.3.5　NiCuZn铁氧体的低温烧结　 134 6.4　软磁铁氧体产业及应用　 135 习题　 136 参考文献　 137 第7章 金属软磁复合材料 7.1　金属软磁复合材料的发展历史　 138 7.1.1　金属软磁材料　 138 7.1.2　金属软磁复合材料　 139 7.2　金属软磁复合材料的磁性能理论　 139 7.2.1　软磁材料性能参数　 139 7.2.2　磁化特性　 140 7.2.3　损耗理论　 140 7.2.4　软磁性能测试　 141 7.3　金属软磁复合材料的制备　 143 7.3.1　金属软磁粉末的制备　 143 7.3.2　成分设计及粒径配比　 144 7.3.3　绝缘包覆与添加剂　 145 7.3.4　成型与退火工艺　 146 7.3.5　结构表征技术　 148 7.4　金属软磁复合材料的分类　 149 7.4.1　纯铁软磁复合材料　 150 7.4.2　铁硅软磁复合材料　 150 7.4.3　FeSiAl软磁复合材料　 150 7.4.4　高磁通软磁复合材料　 150 7.4.5　钼坡莫软磁复合材料　 151 7.4.6　非晶纳米晶软磁复合材料　 151 7.5　金属软磁复合材料的工程应用　 151 习题　 151 参考文献　 152 第8章 非晶与纳米晶软磁材料 8.1　非晶合金概论　 153 8.1.1　非晶合金发展历史　 153 8.1.2　非晶合金结构特征　 154 8.1.3　非晶合金结构缺陷与弛豫　 154 8.1.4　非晶合金结构模型　 155 8.2　非晶合金形成热力学与动力学　 160 8.2.1　非晶合金的热力学　 160 8.2.2　非晶合金的动力学　 163 8.2.3　影响非晶形成能力的因素　 165 8.2.4　非晶形成判据　 166 8.3　非晶纳米晶合金的随机各向异性模型　 167 8.3.1　非晶合金的随机各向异性模型　 167 8.3.2　纳米晶合金的随机各向异性模型　 168 8.4　非晶纳米晶软磁合金的制备与应用　 171 8.4.1　非晶合金的制备　 171 8.4.2　纳米晶合金的制备　 173 8.4.3　非晶态合金的晶化　 174 8.4.4　非晶与纳米晶合金的软磁应用　 176 8.4.5　非晶纳米晶软磁合金展望　 180 习题　 181 参考文献　 181 第9章 电磁波理论基础 9.1　电磁场基本特性　 182 9.1.1　麦克斯韦方程组　 182 9.1.2　静态电磁场　 184 9.1.3　电磁场的能量　 185 9.1.4　电介质的极化　 186 9.1.5　磁介质的磁化　 186 9.2　平面电磁波　 187 9.2.1　理想介质中的平面波　 187 9.2.2　电磁波的极化　 190 9.2.3　导电媒质中的平面波　 192 9.2.4　良导体、良介质与趋肤效应　 195 9.2.5　均匀平面波的垂直入射　 196 9.2.6　均匀平面波的斜入射　 200 9.3　导行电磁波　 201 9.3.1　同轴传输线　 202 9.3.2　微带线　 204 9.3.3　矩形波导　 205 9.3.4　圆波导　 207 9.3.5　谐振腔　 208 9.4　电磁辐射与防护标准　 210 9.4.1　电偶极子的辐射　 210 9.4.2　磁偶极子的辐射　 211 9.4.3　电磁辐射容许值标准　 212 9.4.4　电磁防护标准　 212 习题　 216 参考文献　 216 第10章 微波铁氧体 10.1　微波铁氧体化学组成与晶体结构　 218 10.2　微波铁氧体基本特性　 219 10.2.1　张量磁导率　 219 10.2.2　圆极化微波场情况　 222 10.2.3　损耗的影响　 224 10.2.4　退磁因数　 225 10.3　微波铁氧体制造工艺　 227 10.4　微波铁氧体应用　 229 10.4.1　铁氧体环行器　 230 10.4.2　铁氧体隔离器　 231 10.4.3　铁氧体移相器　 232 10.4.4　铁氧体其他器件　 233 习题　 235 参考文献　 236 第11章 电磁屏蔽材料 11.1　电磁屏蔽类型与原理　 237 11.1.1　静电屏蔽　 237 11.1.2　交变电场屏蔽　 238 11.1.3　磁场屏蔽　 239 11.1.4　电磁屏蔽与屏蔽效能　 241 11.2　屏蔽体设计理论　 243 11.2.1　屏蔽体的选择　 243 11.2.2　孔隙对屏蔽效能的影响　 244 11.2.3　孔隙泄漏的抑制　 247 11.2.4　导线的处理及屏蔽体的接地　 248 11.3　磁性屏蔽材料　 249 11.3.1　高磁导率铁磁性材料　 249 11.3.2　磁性良导体金属材料　 250 11.4　电磁屏蔽材料应用　 252 11.4.1　环境防护　 252 11.4.2　精密仪器　 253 11.4.3　通信电缆　 253 11.4.4　工程应用　 254 习题　 255 参考文献　 255 第12章 电磁波吸收材料 12.1　电磁波吸收原理　 257 12.1.1　散射参数　 257 12.1.2　电磁参数　 258 12.1.3　介电损耗　 259 12.1.4　铁磁损耗　 260 12.1.5　阻抗匹配　 262 12.1.6　结构效应　 263 12.2　吸波体设计理论　 263 12.2.1　设计目标　 264 12.2.2　传输线理论的应用　 264 12.3　磁性吸收材料　 266 12.3.1　铁氧体　 266 12.3.2　磁性金属　 272 12.3.3　稀土金属间化合物　 275 12.4　电磁波吸收材料的应用　 281 12.4.1　微波暗室　 282 12.4.2　军事应用　 283 习题　 289 参考文献　 289 第13章 磁性薄膜材料的物理效应 13.1　磁电耦合效应　 291 13.2　电控磁效应　 294 13.3　磁性薄膜中的磁弹耦合效应　 300 13.4　磁性薄膜中的磁电阻效应　 301 13.4.1　正常磁电阻效应　 301 13.4.2　各向异性磁电阻效应　 301 13.4.3　巨磁电阻效应　 302 13.4.4　隧道磁电阻效应　 305 13.4.5　庞磁电阻效应　 305 习题　 306 参考文献　 306 第14章 磁性薄膜的制备 14.1　物理气相沉积镀膜　 308 14.1.1　热蒸发镀膜　 308 14.1.2　溅射镀膜　 311 14.1.3　脉冲激光沉积镀膜　 313 14.1.4　分子束外延　 315 14.2　常见磁性薄膜制备方法　 316 14.2.1　铁氧体类　 316 14.2.2　钙钛矿类　 317 14.2.3　单层金属合金膜　 318 14.2.4　金属/氧化物复合薄膜　 318 习题　 319 参考文献　 319 第15章 磁性薄膜的表征和测试 15.1　薄膜厚度的测量　 321 15.1.1　X射线反射率（XRR）法　 322 15.1.2　精密轮廓扫描法（台阶法）　 323 15.1.3　原子力显微镜（AFM）法　 323 15.1.4　扫描电镜法　 323 15.1.5　等厚干涉法　 324 15.1.6　椭圆偏振法　 325 15.2　薄膜成分及元素的测量　 325 15.3　薄膜形貌的表征　 329 15.4　薄膜磁学性质的测量　 332 15.4.1　振动样品磁强计　 333 15.4.2　交变梯度磁强计　 334 15.4.3　超导量子干涉器件磁强计　 334 15.4.4　磁光克尔效应测量　 335 15.5　薄膜电输运性质的测量　 337 习题　 339 参考文献　 340